设计手记：示波器探头原理及种类详解

　　传统上来说，市面上100MHz带宽以下的示波器大部分只有1M欧姆输入，因为不会用于高频测量；100MHz～1GHz带宽的示波器大部分有1M欧姆和50欧姆的切换选择，同时兼顾高低频测量；2GHz或更高带宽的示波器由于主要用于高频测量，所以大部分只有50欧姆输入。不过随着市场的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1M欧姆和50欧姆的输入切换。

　　广义的意义上说，测试电缆也属于一种探头，比如BNC或SMA电缆，而且这种探头既便宜性能又高。但是使用测试电缆连接时需要在被测电路上也有BNC或SMA的接口，所以应用场合有限，主要用于射频和微波信号测试。对于数字或通用信号的测试，还是需要专门的探头。

　　示波器的探头按是否需要供电可以分为无源探头和有源探头，按测量的信号类型可以分为电压探头、电流探头、光探头等。所谓的无源探头，是指整个探头都由无源器件构成，包括电阻、电容、电缆等；而有源探头内部一般有放大 器，放大器是需要供电的，所以叫有源探头。

　　无源探头根据输入阻抗的大小又分为高阻无源探头和低阻无源探头两种。

　　高阻无源探头即我们通常所说的无源探头，应用最为广泛，基本上每个使用过示波器的人都接触过这种探头。高阻无源探头和示波器相连时，要求示波器端的输入阻抗是1M欧姆。以下是一个10：1 高阻无源探头的原理框图。

　　为了方便测量，探头通常都会有1米左右的长度，如果不加匹配电路，很难想象探头能够提供数百兆Hz的带宽的。示波器的输入寄生电容也会影响带宽。为了改善探头的高频相应，探头前端会有相应的匹配电路，最典型的就是一个Rprobe和Cprobe的并联结构。探头要在带内产生平坦增益的一个条件是要满足Rprobe*Cprobe=Rscope*Cscope，具体推导就不做了，感兴趣的可以自己推一下。我们前面介绍过，Cscope是示波器的寄生电容，所以其只能控制在一定范围内，但不能精确控制，也就是说不同示波器或示波器的不同通道间Cscope的值会不太一样。为了补偿不同通道Cscope的变化，在探头接示波器的一端处一般至少会有一个可调电容Ccomp。当探头接在不同通道上时可以通过调整Ccomp来补偿Cscope的变化。几乎所有示波器都提供一个低频方波的输出，可以通过用探头测量这个方波的形状来做调整。

　　Rprobe在改善频响的同时会和示波器输入电阻产生一个分压，所谓10：1的分压就是指示波器实际测量到的电压是探头前端处电压的1/10，也就是信号经过探头会有一个10倍衰减。比较简单的探头需要手工设置示波器的探头衰减倍数来得到正确的显示，更多的探头在和示波器连接端有一个自动检测的针脚，当探头插上时示波器可以通过这个pin读出探头的衰减比，并自动调整显示的比例。

　　高阻无源探头中还有2个特殊的种类。一类是高压探头，其衰减比可达100:1或1000:1，所以测量电压范围很大；还有一类是1:1的探头，即信号没有衰减就进入示波器，由于不象10：1的探头那样需要示波器再放大显示，所以示波器本身的噪声没有放大，测量的噪声会小很多，在小信号和电源纹波的测量场合应用很多。

　　高阻无源探头的优点是便宜，因为成本不高，同时输入阻抗高，测量范围大，连接方便，所以广泛应用于通用测试场合。但是随着测试频率的提高，各种二阶寄生参数很难控制，仅仅靠简单的匹配电路已经不能把带宽再提高了，所以高阻无源探头的带宽一般都在600MHz以下。

　　另一种无源探头是低阻无源探头，这是最不常用的一种探头，但有其自身的特点。以下是这种探头的原理框图。

　　低阻无源探头要求示波器的输入阻抗为50 欧姆，前端等效串了一个分压电阻。根据串阻阻值的不同，可以实现不同的分压比，比如串个450 欧姆的电阻就是10：1 的分压。由于采用50 欧姆的传输电缆，示波器端也是50 欧姆的匹配，所以整个探头的带宽比较高。如Agilent 的54006A 探头带宽可以达6GHz。